KR101461097B1

KR101461097B1 - Ｄ급 오디오 앰프회로

Info

Publication number: KR101461097B1
Application number: KR1020120081060A
Authority: KR
Inventors: 김경환; 최수봉
Original assignee: (주)지아이트론
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-11-13
Also published as: KR20140013554A

Abstract

본 발명은 D급 오디오 앰프회로에 한 것으로, 특히 입력 회로부와 출력 회로부를 절연시켜 이들 각 회로에 공급되는 전압의 사소한 변화 및 그 변화에 따른 전력 증폭기의 내압 변동에 의한 출력전력의 변화를 줄여 오디오 앰프회로의 안정성 확보 및 레벨 쉬프트 드라이버, 전력 증폭기와 부궤환 회로부의 파손을 방지하도록 하는 것이다. 이를 위한 본 발명은 오디오 앰프 회로에 있어서, 전단 변조부와 후단 고출력 증폭부 사이에 펄스 폭 변조신호를 출력 회로부측으로 전달하는 절연체를 이용한 레벨 쉬프트 드라이버를 연결하되, 상기 레벨 쉬프트 드라이버의 입력부와 출력부 사이에 절연체를 개재시키고, 상기 고출력 증폭부의 출력부와 부궤환 신호부 사이에 파형정형 및 과입력 방지용 리미트 회로부를 연결 구성하되, 상기 부궤환 신호부의 입력부와 출력부 사이에 절연체를 개재하여 구성함을 특징으로 한다.

Description

Ｄ급 오디오 앰프회로{Class-D audio amplifier circuit}

본 발명은 D급 오디오 앰프회로에 한 것으로, 특히 입력 회로부와 출력 회로부를 절연시켜 이들 각 회로에 펄스 폭 변조(PWM)된 고주파 신호에 의한 간섭을 회피토록 하므로서, 오디오 앰프회로의 안정성 확보 및 신뢰성 향상과 레벨 쉬프트 드라이버 및 전력 증폭기와 부궤환 신호부의 파손을 방지하도록 하는 것이다.

일반적으로 오디오 신호를 증폭시키기 위한 오디오 증폭기는 출력단의 동작에 따라 A급, B급, AB급, 및 D급 출력단 앰프 등으로 분류된다.

A급 출력단 앰프는 무신호 상태, 즉 뮤트 상태에서 동작시 출력 트랜지스터로 바이어스 전압이 인가되어 바이어스 전류가 흐르기 때문에 발열량이 매우 크고 효율이 낮은 단점이 있다.

B급 출력단 앰프는 무신호 상태에서 동작시 바이어스 전류가 0이 되는 구성을 갖는다. 그러나, 출력 신호가 기준 전압 부근을 통과할 때 드라이버 회로의 상하 트랜지스터가 턴 오프 되므로 큰 크로스오버 변형이 발생한다.

AB급 출력단 앰프는 A급의 저변형 특성과 B급의 고효율 특성을 고려하여, 무신호 상태에서 소량의 바이어스 전류가 흐르도록 하는 구성을 가지나, 발열량이 여전히 큰 편이므로 역시 큰 히트 싱크가 필요하며 크로스오버 변형도 존재한다.

D급 출력단 앰프는 펄스 폭 변조(PWM) 드라이빙 회로를 이용하여 동작하는 출력단으로 구성된 앰프로 출력되는 구성요소들의 턴온 저항이 매우 작아 90% 이상의 고효율을 갖는 것을 특징으로 한다.

따라서, 최근에는 고효율의 D급 출력단을 갖는 앰프의 개발이 많이 이루어지고 있다.

종래의 오디오 앰프는 국내 등록특허 10-0710466호와 같이, 음향 신호를 디지털신호의 한 형태인 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 변환시킨 다음 이를 증폭한 뒤 저역 필터링하여 원래의 아날로그 신호로 재생한다.

일반적으로, 클래스 디 앰프(Class D Amplifier)일 경우에는 오디오 신호가 변조부에 입력된 후, 변조부에서 변조된 PWM 신호는 증폭부에서 증폭된 다음에 저역 통과 필터를 거쳐 아날로그 신호로 출력된다.

여기서, PWM 신호를 증폭하는 이유는 변조부 자체에서 변조된 펄스 폭 변조(PWM) 신호로는 출력 전력이 너무 작아 스피커를 직접 구동할 수가 없기 때문이다.

상기 증폭부는 일반적으로 게이트 드라이버와 스위칭 소자로 구성되어 있으며, 스위칭 소자로는 대전류를 고속으로 스위칭 하는데 적합한 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 주로 사용된다.

상기와 같이 증폭된 PWM 신호는 갑자기 스피커에 인가되면 불요파 노이즈가 발생하게 된다.

이러한 불요파 노이즈는 전원부와 증폭부가 펄스 폭 변조 기술을 수반한 회로를 사용하기 때문에 전원부와 증폭부에서 발생하는 펄스신호의 주파수들의 차이로 인해 각각의 주파수가 동기화를 이루지 못하고 서로 중첩함으로써 발생되는 불요파성분이 전원라인이나 증폭부를 통해 스피커로 출력되어 비트(Beat) 노이즈, 휘슬(Whistle) 노이즈 심지어는 AM 방송수신에 영향을 주는 전파를 발생시키는 문제점이 있다.

이를 해소하기 위하여 창출한 국내 등록특허 10-0945683호에 의하면, 오디오 앰프의 증폭부 및 전원부에 펄스 폭 변조 주파수를 상호 동기화시킬 수 있는 기준신호를 인가하여 펄스 폭 변조(PWM) 회로를 이용한 오디오 앰프에서 발생되는 주파수 간섭에 의한 불요파 노이즈를 현저하게 감소시키는 기준신호를 발생하는 펄스발생부를 포함한 불요파 노이즈 감소회로를 구비한 오디오 앰프를 제공하고 있다.

그러나, 이와 같은 구성의 선행기술은 입력 신호부, 변조부 및 펄스 발생부를 포함하는 오디오 신호 입력부와 증폭부 및 출력부를 포함하는 출력 회로부와를 각각 접지 형태로 접속하여 회로부를 구성하고 있어 고주파 신호로 분류되는 PWM 신호(보통 수백 볼트)가 고출력용 스위칭 소자로서의 전력 증폭기인 전계효과 트랜지스터(FET)측에 인가되어 출력 회로부 전체에 대하여 간섭을 하게 될 뿐 아니라 FET가 가지는 자체 내압 이상의 전압이 인가되어 FET가 파손되는 경우가 발생되고, 역시 상기 전원부에서 출력되는 신호를 파형 정형시킨 파형신호를 펄스 폭 변조시킬 때 에도 상기 고주파 신호로 분류되는 PWM 신호의 간섭을 받게 되어 안정성 확보에 배우 미흡한 결과를 초래하고 있다.

이를 해소하기 위하여, 오디오 신호 입력부와 출력 회로부 사이에 극간 용량을 이용한 레벨 시프트 드라이버 칩을 개재시켜 해소할 수 있으나, 상기 레벨 시프트 드라이버 칩이 용량성에 의한 구동동작을 수행하므로 오디오 신호 입력부와 출력 회로부 사이가 절연된 상태를 유지하지 못한 상태에서 오디오 신호 입력부와 출력 회로부 모두 바이패스 되게 접지상태를 유지하게 되므로 레벨 시프트 드라이버 자체의 내압보다 높은 펄스 폭 변조된 고주파신호가 가지는 고주파 전류에 의해 출력 회로부가 간섭을 받게 되므로 출력전력의 변화에 다른 안정성을 해치게 되어 오디오 앰프회로의 신뢰성을 저하 시킬 뿐 아니라 상기 레벨 시프트 드라이버 칩 및 FET가 파손되는 결과를 초래하는 문제점이 지적된다.

[특허문헌]

국내 등록특허 10-0710466호

본 발명은 입력 회로부와 출력 회로부를 절연시켜 이들 각 회로에 공급되는 전압의 사소한 변화 및 그 변화에 따른 전력 증폭기의 내압 변동에 의한 출력전력의 변화를 줄여 오디오 앰프회로의 안정성 확보 및 전력 증폭기와 부궤환 신호부의 파손을 방지하도록 하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 오디오 앰프 회로에 있어서, 전단 변조부와 후단 고출력 증폭부 사이에 펄스 폭 변조신호를 출력 회로부측으로 전달하는 절연체를 이용한 레벨 쉬프트 드라이버를 연결하되, 상기 레벨 쉬프트 드라이버의 입력부와 출력부 사이에 절연체를 개재시키고, 상기 고출력 증폭부의 출력부와 부궤환 신호부 사이에 파형정형 및 과입력 방지용 리미트 회로부를 연결 구성하되, 상기 부궤환 신호부의 입력부와 출력부 사이에 절연체를 개재하여 구성함을 특징으로 한다.

본 발명은 전단 변조부와 후단 고출력 증폭부 사이 및 부궤환 회로부의 입력단 과 출력단 사이 각각을 절연시키되, 후단 고출력 증폭부 및 부궤환 회로부의 입력단 각각의 회로부에는 접지를 하지 않게 하여 펄스 폭 변조된 고주파 신호에 의한 간섭을 회피하게 되므로 펄스 폭 변조된 고주파 신호에 의한 D 급 앰프회로의 성능저하 방지를 통한 안정성을 가지며, 특히 드라이버 및 증폭기, 부궤환 신호부 각각이 가지는 내압 범위 내에서 동작토록 하여 이들이 펄스 폭 변조된 고주파 신호에 의해 파손되는 것을 방지하므로서 신뢰성 향상을 도모하는 것이다.

도 1은 본 발명의 회로 구성도

아날로그 오디오 입력신호와 부궤환 신호부(10)의 출력단에 접속된 로우패스 필터(11)를 통한 파형정형된 피드백 신호를 혼합하는 믹서기(20)와, 상기 믹서기(20)의 출력신호와 기준 신호가 타단에 입력되어 비교처리 되는 컴퍼레이터(30)와, 컴퍼레이터(30)에 의해 펄스 폭 변조된 고주파 신호를 쉬프트 시키는 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)로 이루어지는 전단 변조부(A)와; 상기 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)에 의해 펄스 폭 변조된 신호를 유도시켜 스위칭 처리되는 증폭용 증폭기(FET1, FET2)를 가지는 증폭부(50)와, 상기 증폭부(50)의 출력단에 로우패스 필터부(61) 및 스피커(62)를 가지는 출력부(60)와, 교류 입력단에 변압기(71) 및 정전압 회로부(72)로 이루어지는 전원 공급부(70)로 이루어지는 후단 출력 회로부(B)와; 로 이루어지는 앰프회로에 있어서, 상기 부궤환 신호부(10)의 입력 버퍼(12)와 출력 버퍼(13) 사이에 절연체(80)를 개재시켜 절연시키고, 상기 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)를 구성하는 입력 버퍼(41)(41A)와 출력 버퍼(42)(42A) 사이에 절연체(90)를 개재시켜 절연시키며, 전원 공급부(70)의 변압기(71) 입력단과 정전압 회로부(72) 입력단 사이에 절연체(100)를 개재시켜 절연 시키되, 상기 후단 출력 회로부(B) 각각을 비접지 상태로 구성토록 하고, 상기 증폭부(50)의 출력단과 부궤환 신호부(10)의 입력단 사이에 제너 다이오드(ZD1)와 직병렬 접속된 저항(R1)(R2)으로 구성되는 파형정형 및 과입력 방지용 리미트 회로부(110)로 구성한다.

상기에서 레벨 쉬프트 드라이버(40)의 출력단에 접속한 증폭용 증폭기(FET1, FET2)를 가지는 증폭부(50)는 푸쉬풀 증폭기 이다.

도면 중 120은 기준 파형 신호 공급부, 130은 오피앰프이다.

이와 같은 구성의 본 발명은 정전압 회로부(72)에 의해 얻어진 소정의 전압이 전단 변조부(A)와 후단 출력 회로부(B) 각각의 회로에 공급됨과 동시에 전단 변조부9A)는 접지상태를 유지하고, 후단 출력 회로부(B)는 비접지 상태를 유지하게 된다.

이와 같은 상태에서 아날로그 오디오 입력신호(사인파)와 부궤환 신호부(10)의 출력단에 접속된 로우패스 필터(11)를 통한 파형정형된 사인파를 피드백 신호 믹서기(20)를 통해 혼합하여 컴퍼레이터(30)의 일측단에 입력시키고, 컴퍼레이터(30)의 타측단에는 기준 파형 신호 공급부(120)에 의한 톱니파를 입력 시켜 비교처리 하여 펄스 폭 변조된 파형을 얻어 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)의 입력 버퍼(41)(41A) 각각을 통해 버퍼링하여 후단의 버퍼(42)(42A)로 출력 처리하여 증폭기(FET1, FET2) 각각의 게이트에 입력되어 스위칭 증폭되게 된다. 이때 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)를 구성하는 입력 버퍼(41)(41A)와 출력 버퍼(42)(42A) 사이에 절연체(90)를 개재시켜 절연시키고 있으므로, 펄스 폭 변조된 고주파 신호는 입력 버퍼(41)(41A)측에서 출력 버퍼(42)(42A)측으로 유도되어 쉬프트 되지만 고주파 신호에 의한 고주파 전류는 입력 버퍼(41)(41A)측에서 출력 버퍼(42)(42A)측으로 흐르지 않아 절연상태를 유지하게 되고, 출력버퍼(42)(42A)측으로 유도된 펄스 폭 변조된 신호가 증폭기(FET1, FET2) 각각의 게이트에 입력될 시 증폭기(FET1, FET2) 각각의 드레인측에 정전압 회로부(72)의 전압(+VCC)이 인가되어 푸쉬풀 스위칭되어 펄스 폭 변조된 신호를 증폭 시키게 된다.

따라서, 고주파 전류에 의한 변동간섭이 후단 출력 회로부(B) 각각에 영향을 미치지 않게 되므로 앰프회로의 안정성을 확보하게 되고, 특히 후단 출력 회로부(B)가 비접지 상태를 유지하고 있으므로 펄스 폭 변조된 고주파에 실어진 고주파 전류가 후단 출력 회로부(B)에 접지부로 바이패스 되지 않게 됨으로 칩 형태로 이루어진 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A) 및 증폭기(FET1, FET2) 각각이 가지는 내압(구동전원전압)을 유지하게 되어 고주파 전류에 의한 파손을 방지하게 된다.

또한, 부궤환 신호부(10)도 역시 상기 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)와 같이 버퍼(12)와 버퍼(13)사이에 절연체(80)가 개재되어 펄스 폭 변조된 고주파에 실어진 고주파 전류가 버퍼(13)측으로 흐르지 않아 버퍼(12)와 버퍼(13) 각각이 가지는 내압(구동전원전압)을 유지하게 되어 고주파 전류에 의한 파손을 방지하게 된다.

특히, 상기에서 버퍼(12)와 버퍼(13) 각각을 구동시키는 구동 전압보다 높은 펄스 폭 변조된 신호가 입력될 경우 리미트 회로부(110)의 제너 다이오드(ZD1) 및 이와 직병렬 접속된 저항(R1)(R2)에 의해 제한시킴과 동시에 파형정형 시켜 믹서기(20)측으로 입력시키게 되므로 칩 형상으로 이루어진 부궤환 신호부(10)의 파손을 방지하게 되고, 주파수 특성 및 왜율 개선을 증대시켜 앰프회로의 안정성과 신뢰성을 확보하게 되는 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속 하는 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.

그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 부궤환 신호부 11 : 로우패스 필터
12 , 13 : 부궤환 신호부의 버퍼 20 : 믹서기
30 : 컴퍼레이터 40, 40A : 레벨 쉬프트 드라이버
41, 41A : 버퍼 FET1, FET2 : 증폭용 증폭기
50 : 증폭부 61 : 로우패스 필터부
62 : 스피커(62) 60 : 출력부
71 : 변압기 72 : 정전압 회로부
70 : 전원 공급부 B : 후단 출력 회로부
80, 90, 100 : 절연체
110 : 파형정형 및 과입력 방지용 리미트 회로부

Claims

아날로그 오디오 입력신호와 부궤환 신호부(10)의 출력단에 접속된 로우패스 필터(11)를 통한 파형정형된 피드백 신호를 혼합하는 믹서기(20)와, 상기 믹서기(20)의 출력신호와 기준 신호가 타단에 입력되어 비교처리 되는 컴퍼레이터(30)와, 컴퍼레이터(30)에 의해 펄스 폭 변조된 고주파 신호를 쉬프트 시키는 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)로 이루어지는 전단 변조부(A)와; 상기 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)에 의해 펄스 폭 변조된 신호를 유도시켜 스위칭 처리되는 증폭용 증폭기(FET1, FET2)를 가지는 증폭부(50)와, 상기 증폭부(50)의 출력단에 로우패스 필터부(61) 및 스피커(62)를 가지는 출력부(60)와, 교류 입력단에 변압기(71) 및 정전압 회로부(72)로 이루어지는 전원 공급부(70)로 이루어지는 후단 출력 회로부(B)와; 로 이루어지는 앰프회로에 있어서, 상기 부궤환 신호부(10)의 입력 버퍼(12)와 출력 버퍼(13) 사이에 절연체(80)를 개재시켜 절연시키고, 상기 레벨 쉬프트 드라이버(40)(40A)를 구성하는 입력 버퍼(41)(41A)와 출력 버퍼(42)(42A) 사이에 절연체(90)를 개재시켜 절연시키며, 전원 공급부(70)의 변압기(71) 입력단과 정전압 회로부(72) 입력단 사이에 절연체(100)를 개재시켜 절연 시키되, 상기 후단 출력 회로부(B) 각각을 비접지 상태로 구성토록 하고, 상기 증폭부(50)의 출력단과 부궤환 신호부(10)의 입력단 사이에 제너 다이오드(ZD1)와 직병렬 접속된 저항(R1)(R2)으로 구성되는 파형정형 및 과입력 방지용 리미트 회로부(110)로 구성함을 특징으로 하는 D급 오디오 앰프회로.